DE102010035251A1 - High-temperature glass solder and its use - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft Glaslote und Komposite, die insbesondere für Hochtemperaturanwendungen geeignet sind, und deren Anwendungen z. B. in Brennstoffzellen oder Sensoren im Abgasstrom von Verbrennungsmotoren. Das kristallisierendes Glaslot zeichnet sich durch einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 20°C bis 300°C von 8,0·10–6 K–1 bis 12,6·10–6 K–1 und eine Halbkugeltemperatur von 850°C bis 1100°C aus.The present invention relates to glass solders and composites, which are particularly suitable for high temperature applications, and their applications e.g. B. in fuel cells or sensors in the exhaust gas flow of internal combustion engines. The crystallizing glass solder is characterized by a thermal expansion coefficient in the temperature range from 20 ° C to 300 ° C of 8.0 · 10–6 K – 1 to 12.6 · 10–6 K – 1 and a hemispherical temperature of 850 ° C to 1100 ° C off.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Glaslote, insbesondere kristallisierende Glaslote, und Komposite, die insbesondere für Hochtemperaturanwendungen geeignet sind, und deren Anwendungen.The present invention relates to glass solders, in particular crystallizing glass solders, and to composites which are particularly suitable for high temperature applications and their applications.
Glaslote werden üblicherweise zum Herstellen von Fügeverbindungen eingesetzt, um insbesondere Glas- und/oder keramische Bauteile miteinander oder mit Bauteilen aus Metall zu verbinden. Bei der Entwicklung von Glasloten wird deren Zusammensetzung oftmals so gewählt, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Glaslotes in etwa dem der miteinander zu verbindenden Bauteile entspricht, um eine dauerhaft stabile Fügeverbindung zu erhalten. Gegenüber anderen Fügeverbindungen, beispielsweise solchen aus Kunststoff, haben solche basierend auf Glasloten den Vorteil, dass sie hermetisch dicht ausgeführt werden können und höheren Temperaturen standhalten können.Glass solders are usually used for the production of joint connections, in particular to connect glass and / or ceramic components with each other or with components made of metal. In the development of glass solders, their composition is often chosen so that the thermal expansion coefficient of the glass solder corresponds approximately to that of the components to be joined together in order to obtain a permanently stable joint. Compared with other joining compounds, for example those made of plastic, such based on glass solders have the advantage that they can be made hermetically sealed and can withstand higher temperatures.
Glaslote werden im allgemeinen oftmals aus einem Glaspulver hergestellt, das beim Lötvorgang aufgeschmolzen wird und unter Wärmeeinwirkung mit den zu verbindenden Bauteilen die Fügeverbindung ergibt. Die Löttemperatur wird in der Regel etwa in Höhe der so genannten Halbkugeltemperatur des Glases gewählt oder kann üblicherweise um ±20 K von dieser abweichen. Die Halbkugeltemperatur kann in einem mikroskopischen Verfahren mit einem Heiztischmikroskop bestimmt werden. Sie kennzeichnet diejenige Temperatur, bei der ein ursprünglich zylindrischer Probekörper zu einer halbkugelförmigen Masse zusammengeschmolzen ist. Der Halbkugeltemperatur lässt sich eine Viskosität von ungefähr log η = 4,6 zuordnen, wie entsprechender Fachliteratur entnommen werden kann. Wird ein kristallisationsfreies Glas in Form eines Glaspulvers aufgeschmolzen und wieder abgekühlt, so dass es erstarrt, kann es üblicherweise bei der gleichen Schmelztemperatur auch wieder aufgeschmolzen werden. Dies bedeutet für eine Fügeverbindung mit einem kristallisationsfreien Glaslot, dass die Betriebstemperatur, welcher die Fügeverbindung dauerhaft ausgesetzt sein kann, nicht höher als die Löttemperatur sein darf. Tatsächlich muss die Betriebstemperatur bei vielen Anwendungen noch signifikant unter der Löttemperatur liegen, da die Viskosität des Glaslotes bei steigenden Temperaturen abnimmt und ein gewissermaßen fließfähiges Glas bei hohen Temperaturen und/oder Drücken aus der Fügeverbindung herausgepresst werden kann, so dass diese Ihren Dienst versagen kann.Glass solders are generally often made from a glass powder, which is melted during the soldering process and results in the heat transfer with the components to be joined the joint. The soldering temperature is usually chosen approximately equal to the so-called hemispherical temperature of the glass or can usually differ by ± 20 K from this. The hemisphere temperature can be determined in a microscopic procedure with a hot stage microscope. It indicates the temperature at which an originally cylindrical specimen has been melted together to form a hemispherical mass. The hemisphere temperature can be assigned a viscosity of about log η = 4.6, as appropriate literature can be found. If a crystallization-free glass in the form of a glass powder is melted and cooled again so that it solidifies, it can usually also be remelted at the same melting temperature. For a joint connection with a crystallization-free glass solder, this means that the operating temperature to which the joint connection can be permanently exposed must not be higher than the soldering temperature. In fact, in many applications, the operating temperature must still be significantly lower than the soldering temperature, since the viscosity of the glass solder decreases with increasing temperatures and a glass which can flow to some extent can be forced out of the joint at high temperatures and / or pressures, so that it can fail its service.
Aus diesem Grund müssen Glaslote für Hochtemperaturanwendungen üblicherweise eine Löttemperatur bzw. Halbkugeltemperatur aufweisen, welche noch deutlich über der späteren Betriebstemperatur liegt. Ein Problem, das durch die im Vergleich zur späteren Betriebstemperatur deutlich höhere Löttemperatur entstehen kann, ist die Schädigung der miteinander zu verbindenden Bauteile. Daher sind Glaslote erwünscht, welche zwar eine möglichst geringe Löttemperatur aufweisen, aber dennoch eine möglichst hohe Betriebstemperatur ermöglichen. Dies bedeutet, dass die gewünschten Glaslote nach einem ersten Lötvorgang nur noch bei einer höheren Temperatur als der Löttemperatur wieder aufschmelzbar sein sollten.For this reason, glass solders for high-temperature applications usually have a soldering temperature or hemispherical temperature which is still significantly above the later operating temperature. A problem that can arise due to the significantly higher soldering temperature compared to the later operating temperature is the damage to the components to be joined together. Therefore, glass solders are desired, which indeed have the lowest possible soldering temperature, but still allow the highest possible operating temperature. This means that the desired glass solders should be reflowable after a first soldering only at a higher temperature than the soldering temperature.
Mit reinen nichtkristallisierenden Glasloten ist dies nicht ohne weiteres zu erreichen. Glaslote, die solchen Anforderungen erfüllen, können jedoch erhalten werden, wenn das Grundglas beim Lötvorgang zumindest teilweise kristallisiert, wobei die kristallinen Phasen deutlich von dem Grundglas abweichende Eigenschaften z. B. bzgl. der thermischen Ausdehnung aufweisen können, insbesondere aber die für das Wiederaufschmelzen benötigte Temperatur in der Regel deutlich über der des Grundglases liegt. Die Eigenschaften eines zumindest teilweise kristallisierten Glaslotes können direkt durch die Zusammensetzung des ursprünglichen Grundglases beeinflusst werden, aber auch durch geeignete Füllstoffe, welche in der Regel eine kristalline Struktur aufweisen und dem Lotglas hinzugefügt werden. Die Mischung aus Glaslot und Füllstoff wird im Sinne dieser Anmeldung Komposit genannt.With pure non-crystallizing glass solders this is not easy to achieve. Glass solders that meet such requirements, however, can be obtained if the base glass during the soldering process at least partially crystallized, the crystalline phases significantly different from the base glass properties z. B. respect. The thermal expansion may have, but in particular the temperature required for the re-melting is usually well above that of the base glass. The properties of an at least partially crystallized glass solder can be directly influenced by the composition of the original base glass, but also by suitable fillers, which usually have a crystalline structure and are added to the solder glass. The mixture of glass solder and filler is called composite in the sense of this application.
Ein Einsatzgebiet solcher Glaslote und/oder Komposite sind z. B. Fügeverbindungen in Hochtemperaturbrennstoffzellen, welche z. B. als Energiequelle in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden können. Ein wichtiger Brennstoffzellentyp sind beispielsweise die so genannten SOFC (solid Oxid fuel cell), welche sehr hohe Betriebstemperaturen von bis zu etwa 1100°C aufweisen können. Die Fügeverbindung mit dem Glaslot wird dabei üblicherweise zur Herstellung von Brennstoffzellen-Stacks, d. h. für die Verbindung mehrerer einzelner Brennstoffzellen zu einem Stack verwendet. Solche Brennstoffzellen sind bereits bekannt und werden kontinuierlich verbessert. Insbesondere geht der Trend in der aktuellen Brennstoffzellenentwicklung im allgemeinen zu geringeren Betriebstemperaturen. Einige Brennstoffzellen erreichen schon Betriebstemperaturen unter 800°C, so dass eine Absenkung der Löttemperaturen möglich und aufgrund der dann geringen Temperaturbelastung der SOFC-Komponenten beim Lötprozess auch erwünscht ist.A field of application of such glass solders and / or composites are z. B. joining compounds in high-temperature fuel cells, which z. B. can be used as an energy source in motor vehicles. An important fuel cell type, for example, the so-called SOFC (solid oxide fuel cell), which can have very high operating temperatures of up to about 1100 ° C. The joint connection with the glass solder is usually used for the production of fuel cell stacks, d. H. used for connecting multiple individual fuel cells to a stack. Such fuel cells are already known and are being continuously improved. In particular, the trend in current fuel cell development is generally to lower operating temperatures. Some fuel cells already reach operating temperatures below 800 ° C, so that a lowering of the soldering temperatures possible and due to the then low temperature load of the SOFC components in the soldering process is also desirable.
Eine große Rolle bei der Brennstoffzellen-Entwicklung kommt dabei den Glasloten zu, die auch schon Gegenstand der folgenden Offenbarungen sind.A major role in fuel cell development comes in the glass solders, which are already the subject of the following disclosures.
Die
Ebenfalls glaskeramische Lote werden in der
Die
In der
Bei den erfindungsgemäßen Glassystemen ist der dominierende Kristallisationsmechanismus die Oberflächenkristallisation. Werden diese wie üblich aus pulverförmigen Mischungen der Ausgangskomponenten für das Herstellen der Fügeverbindung bereitgestellt, erfolgt die Kristallisation im allgemeinen bereits vor Erreichen der Erweichungstemperatur des Lotglases, also weit vor Erreichen der Löttemperatur. Beim Erreichen der Löttemperatur liegt das Lot damit schon teilweise kristallisiert vor, was bedeutet, dass die benötigte Löttemperatur oftmals weit oberhalb von 1100°C gewählt werden muss, da sie an den höheren Schmelzpunkt des teilweise kristallisierten Lotglases angepasst werden muss. Bei solch hohen Temperaturen kann es bei metallischen Bestandteilen der Fügeverbindung zu unerwünschten Oxidationsreaktionen kommen. Eine entstehende Oxidschicht einer gewissen Dicke kann bereits beim Lötvorgang abplatzen und so eine dichte Verbindung verhindern. Ferner steigt bei solch hohen Löttemperaturen die Verdampfung von Cr aus Stählen, die oftmals Bestandteil der Bauteile der Fügeverbindung sind. Ausdampfendes Cr kann zur so genannten Vergiftung des Elektrolyten einer SOFC führen und so die Leistungsfähigkeit negativ beeinflussen.In the glass systems of the invention, the dominant crystallization mechanism is surface crystallization. If these are provided, as usual, from pulverulent mixtures of the starting components for producing the joint connection, the crystallization generally takes place before the softening temperature of the soldering glass is reached, ie well before the soldering temperature is reached. When reaching the soldering temperature, the solder is thus already partially crystallized, which means that the required soldering temperature often has to be chosen well above 1100 ° C, since it must be adapted to the higher melting point of the partially crystallized solder glass. At such high temperatures, metallic components of the joint compound can lead to undesirable oxidation reactions. A resulting oxide layer of a certain thickness can flake off during the soldering process and thus prevent a tight connection. Furthermore, at such high soldering temperatures, the evaporation of Cr from steels, which are often part of the components of the joint connection, increases. Evaporating Cr can lead to the so-called poisoning of the electrolyte of an SOFC and thus negatively affect the performance.
Im Rahmen dieser Offenbarung umfasst der Begriff ”kristallisierendes Glaslot” Glaslote, die während des Lötprozesses oder vorzugsweise in einem anschließenden Prozess zumindest teilweise kristallisieren, wobei auch noch amorphe, glasige Phasen in dem Glaslot vorhanden sein können. Entsprechend wird der Zustand der Glaslote nach der Verarbeitung als kristallisiert bezeichnet, auch wenn noch amorphe, glasige Phasen in dem Glaslot vorhanden sein können.For the purposes of this disclosure, the term "crystallizing glass solder" includes glass solders which at least partially crystallize during the brazing process or, preferably, in a subsequent process, although amorphous, glassy phases may also be present in the glass braze. Accordingly, the state of the glass solders after processing is referred to as crystallized, even if amorphous, glassy phases may still be present in the glass solder.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Lotglas zur Verfügung zu stellen, sowie ein kristallisierendes Glaslot bzw. ein Komposit beinhaltend dieses Lotglas, welches bei einer Löttemperatur von maximal etwa 1100°C zu verarbeiten ist, dessen Viskosität nach Abschluss des Lötprozesses bei Betriebstemperaturen bis etwa 900°C noch so hoch ist, dass es nicht aus der Fügeverbindung herausgepresst wird und/oder aus dieser herausfließt und dessen thermische Ausdehnung im Temperaturbereich von 20°C bis 300°C α(20-300) im kristallisierten Zustand im Bereich von 8,0·10–6 K–1 bis 12,6·10–6 K–1 liegt und damit an in Brennstoffzellen eingesetzte Stähle, aber auch an Oxidkeramiken, insbesondere ZrO2- und/oder Al2O3-Keramiken angepasst ist.The invention is therefore based on the object to provide a suitable solder glass available, as well as a crystallizing glass solder or a composite including this solder glass, which is to be processed at a soldering temperature of about 1100 ° C, whose viscosity after completion of the soldering process at operating temperatures to about 900 ° C is still so high that it is not pressed out of the joint compound and / or flows out of this and its thermal expansion in the temperature range of 20 ° C to 300 ° C α (20-300) in the crystallized state in the range of 8.0 × 10 -6 K -1 to 12.6 × 10 -6 K -1 and is thus adapted to steels used in fuel cells, but also to oxide ceramics, in particular ZrO 2 and / or Al 2 O 3 ceramics ,
Aufgabe ist weiterhin, dass die lineare thermische Ausdehnung des kristallisierenden Glaslotes im glasigen Zustand und im kristallisierten Zustand keine zu große Differenz aufweist, da sonst durch den Kristallisationsprozess mechanische Spannungen in der Verschmelzung entstehen, die deren Stabilität gefährden.The object is further that the linear thermal expansion of the crystallizing glass solder in the glassy state and in the crystallized state does not have too great a difference, since otherwise by the crystallization process mechanical stresses in the fusion arise that jeopardize their stability.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Glaslote und/oder Komposite gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.The object is achieved by the glass solders and / or composites according to the independent claims. Preferred embodiments will be apparent from the dependent claims.
Alle im weiteren genannten Prozentangaben sind sofern nichts anderes gesagt wird Angaben in Gew.-% auf Oxidbasis.All other percentages mentioned are, unless stated otherwise, in% by weight based on oxide.
Erfindungsgemäß enthält das Gaslot 45% bis 60% BaO, 25% bis 40% SiO2, 0% bis 15% B2O3 und optional bis zu 18% SrO. Ferner ist optional zumindest ein Erdalkalioxid RO ausgewählt aus der Gruppe MgO und/oder CaO und/oder ZnO und/oder BeO bis zu 10% in dem erfindungsgemäßen Glaslot enthalten. Durch den Gehalt an SrO und die Erdalkalioxide RO können die Kristallisationseigenschaften des Glaslotes gesteuert werden.According to the invention, the gas solder contains 45% to 60% BaO, 25% to 40% SiO 2 , 0% to 15% B 2 O 3 and optionally up to 18% SrO. Furthermore, optionally at least one alkaline earth oxide RO is selected from the group MgO and / or CaO and / or ZnO and / or BeO up to 10% in the glass solder according to the invention. By the content of SrO and the alkaline earth oxides RO, the crystallization properties of the glass solder can be controlled.
Desweiteren sind optionale Komponenten, die bis zu 10% enthalten sein können, Oxide ausgewählt aus der Gruppe Al2O3 und/oder Ga2O3 und/oder In2O3 und/oder Y2O3 und/oder La2O3. Auch diese können die Kristallisationseigenschaften beeinflussen und werden im Zusammenspiel mit den Erdalkalien erfindungsgemäß zum Einstellen der gewünschten Kristallisationseigenschaften eingesetzt.Furthermore, optional components, which may be up to 10%, are oxides selected from the group Al 2 O 3 and / or Ga 2 O 3 and / or In 2 O 3 and / or Y 2 O 3 and / or La 2 O 3 . These too can influence the crystallization properties and, in interaction with the alkaline earths, are used according to the invention for setting the desired crystallization properties.
Optional ist weiterhin zumindest ein Oxid RO2 ausgewählt aus der Gruppe TiO2 und/oder ZrO2 und/oder HfO2 mit bis zu 5% in dem erfindungsgemäßen Glaslot enthalten. Diese Oxide können insbesondere als Keimbildner für die Kristallisation wirken.Optionally, at least one oxide RO 2 selected from the group TiO 2 and / or ZrO 2 and / or HfO 2 with up to 5% is furthermore contained in the glass solder according to the invention. These oxides can act in particular as nucleators for the crystallization.
Weitere Zusätze sind möglich. Der Begriff Glaslot umfasst im Sinne der Erfindung sowohl das amorphe Grundglas, welches als Lotglas vor dem Lötvorgang eingesetzt wird, als auch das aus dem Grundglas beim Lötvorgang entstehende Material, das unter anderem glasig, kristallisiert, teilkristallisiert, glaskeramisch oder in sonstiger Form vorliegen kann.Further additives are possible. For the purposes of the invention, the term glass solder includes both the amorphous base glass, which is used as solder glass before the soldering process, and the material resulting from the base glass during the soldering process, which may inter alia be glassy, crystallized, partially crystallized, glass ceramic or in any other form.
Die Erfinder haben erkannt, dass sich insbesondere ein hoher Al2O3-Gehalt eines Glaslotes negativ auf dessen Eigenschaften auswirkt. Der Al2O3-Gehalt ist daher in der vorliegenden Erfindung auf bis zu 2% Al2O3 beschränkt.The inventors have recognized that in particular a high Al 2 O 3 content of a glass solder has a negative effect on its properties. The Al 2 O 3 content is therefore limited in the present invention to up to 2% Al 2 O 3 .
Der beschränkte Anteil von Al2O3 des erfindungsgemäßen Glaslotes bewirkt, dass sich unerwünschte Kristallphasen wie BaAl2Si2O8, sog. Bariumfeldspate, nicht vermehrt bilden können. Von der Verbindung BaAl2Si2O8 existieren zwei Phasen mit stark unterschiedlichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten: Celsian mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 2,2·10–6 K–1 und Hexacelsian mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 7,1·10–6 K–1, wobei das Hexacelsian bei höheren Temperaturen als das Celsian stabil ist. Beim Abkühlen eines Glaslotes, beispielsweise in einer Fügeverbindung einer Brennstoffzelle, kann es unter 300°C zu einer Umwandlung der Hexacelsian- in die Celsian-Phase kommen. Diese Umwandlung ist mit einem Volumensprung von etwa 3% oder mehr verbunden, wodurch starke mechanische Spannungen auftreten und die Fügeverbindung zerstört werden kann. Das erfindungsgemäße Glaslot unterbindet die Entstehung dieser Kristallphasen und erhöht damit die Ausfallsicherheit der Fügeverbindungen.The limited proportion of Al 2 O 3 of the glass solder according to the invention has the effect that unwanted crystal phases such as BaAl 2 Si 2 O 8 , so-called barium feldspates, can not form increasingly. Of the compound BaAl 2 Si 2 O 8 exist two phases with very different coefficients of thermal expansion: Celsian with a thermal expansion coefficient of 2.2 · 10 -6 K -1 and Hexacelsian with a coefficient of thermal expansion of 7.1 · 10 -6 K - 1 , wherein the hexacelsian is stable at higher temperatures than the celsian. When a glass solder is cooled, for example in a joint connection of a fuel cell, a conversion of the Hexacelsian phase into the Celsian phase may occur below 300 ° C. This conversion is associated with a volume jump of about 3% or more, whereby strong mechanical stresses occur and the joint connection can be destroyed. The glass solder according to the invention prevents the formation of these crystal phases and thus increases the reliability of the joints.
Eine weitere unerwünschte Kristallphase ist Mg2Al4Si5O18, auch als Cordierit bekannt, welche in Anwesenheit von Al2O3 und MgO entstehen kann. Cordierit weist einen sehr kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 1,5·10–6 K–1 auf. Auch diese Kristallphase passt mit ihrem Dehnungsverhalten nicht zu der Mehrzahl von Hochtemperaturanwendungen wie beispielsweise Fügeverbindungen in Brennstoffzellen. Das erfindungsgemäße kristallisierende Glaslot unterbindet auch die übermäßige Entstehung der Cordierit-Phase durch seinen beschränkten Gehalt von Al2O3 und MgO.Another unwanted crystal phase is Mg 2 Al 4 Si 5 O 18 , also known as cordierite, which can be formed in the presence of Al 2 O 3 and MgO. Cordierite has a very small thermal expansion coefficient of about 1.5 · 10 -6 K -1 . Also, this crystal phase does not fit with its elongation behavior to the majority of high-temperature applications such as joining compounds in fuel cells. The crystallizing glass solder according to the invention also prevents the excessive formation of cordierite phase due to its limited content of Al 2 O 3 and MgO.
Der Gehalt an SiO2 bestimmt zu einem großen Anteil die Einschmelztemperatur, bewirkt in der Verbindung mit B2O3 aber die Entstehung eines stabilen Glases. Um die Aufgabenstellung einer geringen Schmelztemperatur des Glaslotes erfüllen zu können, enthält das erfindungsgemäße Glaslot maximal 40% SiO2.The content of SiO 2 determined to a large extent the melting temperature, causes in the connection with B 2 O 3 but the formation of a stable glass. In order to fulfill the task of a low melting temperature of the glass solder, the glass solder according to the invention contains a maximum of 40% SiO 2 .
Der B2O3-Gehalt beeinflusst neben dem Kristallisationsverhalten auch das Einschmelzverhalten und damit die Glasschmelze positiv. Ein zu hoher B2O3-Gehalt kann sich hingegen negativ auf die chemische Beständigkeit auswirken. Desweiteren kann es bei B2O3-Gehalten über 15% zu Boroxidausdampfungen aus dem Glaslot kommen, was ebenfalls unerwünscht ist.The B 2 O 3 content influences not only the crystallization behavior but also the melting behavior and thus the glass melt positively. On the other hand, an excessively high B 2 O 3 content can have a negative effect on the chemical resistance. Furthermore, with B 2 O 3 contents above 15%, boron oxide evaporations can occur from the glass solder, which is likewise undesirable.
Das Glaslot enthält erfindungsgemäß ferner 42% bis 60% BaO (in Gew.-% auf Oxidbasis). Bei Bariumoxidanteilen größer als 60% kann das Glaslot zur Bildung von Bariumsilikat-Kristallen neigen. Bei einem Bariumoxidanteil von kleiner 42% kann der gewünschte thermische Ausdehnungskoeffizient nicht erzielt werden. Je nach weiteren Glasbestandteilen und deren Atomgewichten werden die kristallisationsstabilsten Gläser mit erfindungsgemäßer thermischer Ausdehnung bei einem Bariumoxidgehalt von 42% bis 52% bzw. in einer weiteren Ausführungsform bei einem Bariumoxidgehalt von 47% bis 50% erhalten.The glass solder according to the invention further contains 42% to 60% BaO (in wt .-% based on oxide). For barium oxide levels greater than 60%, the glass solder may tend to form barium silicate crystals. At a barium oxide content of less than 42%, the desired thermal expansion coefficient can not be achieved. Depending on other glass constituents and their atomic weights, the crystallization-stable glasses with thermal expansion according to the invention are obtained at a barium oxide content of 42% to 52% or, in another embodiment, at a barium oxide content of 47% to 50%.
Das erfindungsgemäße kristallisierende Glaslot weist einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α(20-300),G im glasigen Zustand von 6·10–6 K–1 bis 11·10–6 K–1 auf, wobei der Index G die auf den amorphen, glasigen Zustand bezogene Größe kennzeichnet. Das bedeutet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Grundglases und/oder des beim Lötvorgang nicht kristallisierten Glaslotes den genannten Wertebereich aufweist. Im kristallisierten Zustand, d. h. wenn das Glaslot beim Lötvorgang zumindest teilweise kristallisiert, weist es bevorzugt einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α(20-300),K, von 8·10–6 K–1 bis 12,6·10–6 K–1 auf, wobei der Index K die auf den kristallisierten Zustand bezogene Größe kennzeichnet.The crystallizing glass solder according to the invention has a linear thermal expansion coefficient α (20-300), G in the glassy state of 6 · 10 -6 K -1 to 11 · 10 -6 K -1 , where the index G on the amorphous, glassy Condition related size features. This means that the coefficient of thermal expansion of the base glass and / or of the glass solder that has not crystallized during the soldering process is the abovementioned Value range. In the crystallized state, ie when the glass solder at least partially crystallizes during the soldering process, it preferably has a thermal expansion coefficient α (20-300), K , of 8 · 10 -6 K -1 to 12.6 · 10 -6 K -1 , wherein the index K denotes the size related to the crystallized state.
Typischerweise ist der Kristallisationsprozess daher mit einer geringen Zunahme des thermischen Ausdehnungskoeffizienten verbunden. Aufgrund der geringen Unterschiede in der thermischen Ausdehnung vor und nach der Kristallisation werden durch den Kristallisationsprozess jedoch lediglich geringe mechanische Spannungen in die Verschmelzung eingebracht, die deren Stabilität nicht gefährden.Typically, the crystallization process is therefore associated with a small increase in the thermal expansion coefficient. Due to the small differences in the thermal expansion before and after crystallization, however, only slight mechanical stresses are introduced into the fusion by the crystallization process, which do not jeopardize their stability.
Bevorzugt kann das Glaslot SrO und/oder die genannten Erdalkalioxide RO enthalten. Mit diesen Komponenten kann z. B. Einfluss auf das Kristallisationsverhalten des Glaslotes genommen werden. Überraschenderweise wurde bei den erfindungsgemäßen Glasloten gefunden, dass durch die Zugabe von RO, insbesondere von MgO, im Austausch zu SiO2 die Kristallisationsneigung unterdrückt werden kann. Ein weiterer positiver Effekt ist, dass der dielektrische Verlust durch RO-haltige Gläser gesenkt werden kann. Ferner können durch die netzwerkwandelnden Erdalkalioxide die Schmelztemperaturen und die Glasübergangstemperatur verringert werden. Der Gehalt von RO bewirkt ferner eine Erhöhung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten und stellt damit eine einfache Möglichkeit dar, das Glaslot an die zu verschmelzenden Bauteile anzupassen. Das erfindungsgemäße Glaslot enthält daher bevorzugt in Summe bis zu 20% MgO und/oder CaO und/oder SrO, besonders bevorzugt 2% bis 15%.Preferably, the glass solder SrO and / or the said alkaline earth oxides RO may contain. With these components can z. B. influence on the crystallization behavior of the glass solder are taken. Surprisingly, it has been found in the glass solders according to the invention that the tendency to crystallize can be suppressed by the addition of RO, in particular of MgO, in exchange for SiO 2 . Another positive effect is that the dielectric loss can be reduced by glasses containing RO. Furthermore, the melting temperatures and the glass transition temperature can be reduced by the network-converting alkaline earth oxides. The content of RO also causes an increase in the coefficient of thermal expansion and thus provides a simple way to adapt the glass solder to the components to be fused. The glass solder according to the invention therefore preferably contains in total up to 20% MgO and / or CaO and / or SrO, particularly preferably 2% to 15%.
Bevorzugt sind die erfindungsgemäßen Glaslote frei von Alkalimetallen. Alkalimetalle können die elektrischen Isolationseigenschaften negativ beeinflussen, aber auch die chemische Beständigkeit des Glaslotes herabsetzen.The glass solders according to the invention are preferably free of alkali metals. Alkali metals can adversely affect the electrical insulation properties, but also reduce the chemical resistance of the glass solder.
Ein weiterer bevorzugter optionaler Zusatzstoff ist ZrO2 in einer Menge von bis zu 5% (in Gew.-% auf Oxidbasis). ZrO2 wirkt bekanntermaßen als Keimbildner und durch dessen Zugabe kann somit das Kristallisationsverhalten sowie auch die Kristallgröße beeinflusst werden. Die Zusammensetzung des Lotglases wird dabei bevorzugt so eingestellt, dass es langsam kristallisiert. Würde es bereits sehr stark kristallisieren, ist eine ausreichende Benetzung oft nicht gegeben. Insbesondere soll das Lotglas beim Herstellen einer Fügeverbindung im allgemeinen in nicht kristallisierter oder teilkristallisierter Form in die zu lötende Verbindungsstelle eingebracht werden können, da die für die Benetzung der zu verschmelzenden Bauteile benötigte Temperatur dann tiefer liegt.Another preferred optional additive is ZrO 2 in an amount of up to 5% (in% by weight on an oxide basis). As is known, ZrO 2 acts as a nucleating agent and its addition can thus influence the crystallization behavior as well as the crystal size. The composition of the solder glass is preferably adjusted so that it crystallizes slowly. If it were already crystallizing very strongly, adequate wetting is often not given. In particular, the solder glass is to be introduced during the manufacture of a joint in general in non-crystallized or partially crystallized form in the joint to be soldered, since the temperature required for the wetting of the components to be fused is then lower.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Glaslotes enthält 42% bis 52% BaO, 24% bis 31% SiO2, 0% bis 11% B2O3, 14% bis 18% SrO, 0% bis 5% CaO, 0% bis 10% MgO, 0% bis 10% R2O3 und 0% bis 5% RO2, wobei die Summe von CaO und MgO und R2O3 und RO2 von 0% bis 19% beträgt. Bevorzugt wird als R2O3 dabei Al2O3 eingesetzt und auf eine Zugabe von RO2 verzichtet. Der thermische Ausdehnungskoeffizient α(20-300),K im kristallisierten Zustand beträgt bei dieser Ausführungsform bevorzugt von > 9·10–6 K–1.A preferred embodiment of the glass solder contains 42% to 52% BaO, 24% to 31% SiO 2 , 0% to 11% B 2 O 3 , 14% to 18% SrO, 0% to 5% CaO, 0% to 10% MgO, 0% to 10% R 2 O 3 and 0% to 5% RO 2 , wherein the sum of CaO and MgO and R 2 O 3 and RO 2 is from 0% to 19%. It is preferable to use Al 2 O 3 as R 2 O 3 and to dispense with the addition of RO 2 . The thermal expansion coefficient α (20-300), K in the crystallized state in this embodiment is preferably> 9 · 10 -6 K -1 .
Die Erfinder haben erkannt, dass sich insbesondere bei dieser Ausführungsform im ternären System BaO-SrO-SiO2 ein Eutektikum befindet, bei welchem sich die kristalline Phase SrBa2Si3O9 ausscheidet. Das prozentuale Gewichtsverhältnis zwischen den Oxiden BaO, SrO und SiO2 ist so gewählt, dass sich die Zusammensetzung im Bezug auf diese drei Oxide im Bereich des beschriebenen Eutektikums befindet. Dadurch lassen sich Gläser mit einem kurzen Temperaturintervall, kleiner 300°C, zwischen Sintern und Fließen realisieren.The inventors have recognized that, in particular in this embodiment, there is a eutectic in the ternary system BaO-SrO-SiO 2 , in which the crystalline phase SrBa 2 Si 3 O 9 precipitates. The percentage weight ratio between the oxides BaO, SrO and SiO 2 is chosen such that the composition with respect to these three oxides is in the range of the described eutectic. As a result, glasses can be realized with a short temperature interval, less than 300 ° C., between sintering and flow.
Im Zusammensetzungsintervall gemäß dieser Ausführungsform ist es möglich, bei den teilkristallinen Gläsern durch die Zugabe von R2O3 sowie RO eine übermäßige Kristallisation sowie die Ausscheidung unerwünschter Kristallphasen zu vermeiden. Ebenfalls kann eine Kristallisation vollständig unterdrückt werden und somit ein stabiles Glaslot bereitgestellt werden. Bei den teilkristallinen Gläsern liegt der kristalline Anteil unter 35 Gew.-%. Eine übermäßige Kristallisation während des Fügevorganges würde zu einer Viskositätserhöhung führen und die Löttemperaturen zu Werten größer 1100°C verschieben. Die Dotierung der Gläser mit RO2 kann die Teilkristallisation begünstigen und die Festigkeit der Fügeverbindung erhöhen. Die Gläser können in Abhängigkeit der Temperaturführung beim Lötvorgang als Glas sowie als teilweise kristallisierte Glaskeramik vorliegen. Als Kristalline Phase entsteht bevorzugt SrBa2Si3O9 sowie BaSi2O5. Eine Bildung von Trydimit kann durch die Zugabe von CaO vermieden werden.In the composition interval according to this embodiment, it is possible to avoid excessive crystallization of the partially crystalline glasses by the addition of R 2 O 3 as well as the precipitation of unwanted crystal phases. Also, crystallization can be completely suppressed, thus providing a stable glass solder. In the case of the partially crystalline glasses, the crystalline fraction is below 35% by weight. Excessive crystallization during the joining process would lead to an increase in viscosity and shift the soldering temperatures to values greater than 1100 ° C. The doping of the glasses with RO 2 can promote the partial crystallization and increase the strength of the joint compound. Depending on the temperature control during the soldering process, the glasses can be present as glass as well as partially crystallized glass ceramic. The crystalline phase is preferably SrBa 2 Si 3 O 9 and BaSi 2 O 5 . Formation of trydimite can be avoided by the addition of CaO.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform enthält 47% bis 50% BaO, 35% bis 39% SiO2, 5% bis 15% B2O3, 0% bis 10% CaO, 0% bis 10% MgO, 0% bis 5% TiO2 und 0% bis 5% ZrO2.Another preferred embodiment contains 47% to 50% BaO, 35% to 39% SiO 2 , 5% to 15% B 2 O 3 , 0% to 10% CaO, 0% to 10% MgO, 0% to 5% TiO 2 and 0% to 5% ZrO 2 .
Bevorzugt beträgt dabei das molare Verhältnis der Gehalte von SiO2 zu BaO ≤ 2,5, besonders bevorzugt ≤ 2. Der thermische Ausdehnungskoeffizient α(20·300),K im kristallisierten Zustand beträgt bei dieser Ausführungsform bevorzugt von 7·10–6 K–1 bis 11·10–6 K–1. Die Erfinder haben erkannt, dass bei größeren Verhältnissen der thermische Ausdehnungskoeffizient der Gläser zu gering sein kann. In this case, the molar ratio of the contents of SiO 2 to BaO 2 is preferably ≦ 2.5, particularly preferably ≦ 2. The thermal expansion coefficient α (20 × 300), K in the crystallized state is preferably from 7 × 10 -6 K in this embodiment . 1 to 11 · 10 -6 K -1 . The inventors have recognized that at higher ratios, the thermal expansion coefficient of the glasses may be too low.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgesehen, dass das molare Verhältnis von SiO2 zu BaO kleiner 2 und ganz besonders bevorzugt kleiner als 1,7 ist.In a particularly preferred embodiment, it is provided that the molar ratio of SiO 2 to BaO is less than 2, and very particularly preferably less than 1.7.
Das kristallisierende Glaslot kann ferner bis zu 0,5% (in Gew.-% auf Oxidbasis) V2O5 und/oder Sb2O3 und/oder CoO enthalten. Diese Zusatzstoffe bewirken eine deutliche Erhöhung der Haftfestigkeit des Glaslotes auf metallischen Substraten.The crystallizing glass solder may further contain up to 0.5% (in weight percent on an oxide basis) of V 2 O 5 and / or Sb 2 O 3 and / or CoO. These additives cause a significant increase in the adhesion of the glass solder on metallic substrates.
Das erfindungsgemäße Glaslot weist bevorzugt eine Halbkugeltemperatur von 850°C bis 1100°C auf, und kann entsprechend etwa bei dieser Temperatur für die Fügeverbindung eingesetzt werden.The glass solder according to the invention preferably has a hemispherical temperature of 850.degree. C. to 1100.degree. C., and can accordingly be used for the joining compound at about this temperature.
Das erfindungsgemäße kristallisierende Glaslot wird im Allgemeinen hergestellt, indem das Lotglas nach dessen Herstellung in einer konventionellen Glasschmelze zu einem Glaspulver gemahlen wird, das z. B. in Form einer dispensfähigen Paste oder eines vorgesinterten Formkörpers in die Fügeverbindung eingebracht werden kann. Das aus den erschmolzenen Lotglas hergestellte kristallisierende Glaslot weist vor dem Lötprozess vorzugsweise einen amorphen, nicht kristallinen Zustand auf.The crystallizing glass solder according to the invention is generally prepared by the solder glass is ground after its preparation in a conventional glass melt to a glass powder, the z. B. can be introduced into the joint connection in the form of a dispensable paste or a presintered molding. The crystallizing glass solder produced from the molten solder glass preferably has an amorphous, non-crystalline state before the soldering process.
Dem in Pulverform vorliegenden kristallisierenden Glaslot können vor oder bei der Weiterverarbeitung zu den oben genannten Pasten und Sinterkörpern erfindungsgemäß zusätzlich bis zu 35% (in Gew.-% auf Oxidbasis, bezogen auf die Gesamtmasse von Glaslot und Füllstoff) eines bevorzugt kristallinen Füllstoffes ebenfalls in Pulverform zugegeben werden, so dass ein Komposit erhalten wird. Die Eigenschaften des Komposits können durch den Füllstoff gegenüber den Eigenschaften des füllstofffreien Glaslotes positiv verändert und eingestellt werden. So beeinflusst der Füllstoff, dessen Korngrößenverteilung und natürlich dessen Mengenanteil z. B. die thermische Ausdehnung und die Kristallisationsgeschwindigkeit.The present in powder form crystallizing glass solder before or during further processing to the above pastes and sintered bodies according to the invention additionally up to 35% (in wt .-% on an oxide basis, based on the total mass of glass solder and filler) of a preferably crystalline filler also in powder form be added so that a composite is obtained. The properties of the composite can be positively changed and adjusted by the filler compared to the properties of the filler-free glass solder. Thus, the filler whose particle size distribution and, of course, its proportion z. As the thermal expansion and the rate of crystallization.
Bevorzugt wird als Füllstoff Sanbornit (BaSi2O5), 3YSZ (Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid), Wollastonit (CaSiO3) oder Enstatit (Mg2Si2O6) oder eine beliebige Kombination dieser Stoffe eingesetzt. Die Zugabe dieses Füllstoffes ermöglicht eine Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des kristallisierten Grundglases α(20-300),K, wie in Tabelle 2 am Beispiel B1 zu sehen ist. Der thermische Ausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich 20 bis 300°C des kristallisierten Komposits α(20-300),K liegt im Bereich 8·10–6 K–1 bis 12·10–6 K–1, der im Temperaturbereich 20°C bis 750°C α(20-750),K im Bereich von 9,5·10–6 K–1 bis 14,5·10–6 K–1.Sanbornite (BaSi 2 O 5 ), 3YSZ (yttrium stabilized zirconium oxide), wollastonite (CaSiO 3 ) or enstatite (Mg 2 Si 2 O 6 ) or any combination of these substances is preferably used as the filler. The addition of this filler makes it possible to adapt the thermal expansion coefficient of the crystallized base glass α (20-300), K , as can be seen in Table 2 in Example B1. The thermal expansion coefficient in the temperature range 20 to 300 ° C of the crystallized composite α (20-300), K is in the range 8 · 10 -6 K -1 to 12 · 10 -6 K -1 , which in the temperature range 20 ° C to 750 ° C α (20-750), K in the range of 9.5 × 10 -6 K -1 to 14.5 × 10 -6 K -1 .
Die erfindungsgemäßen Komposite weisen bevorzugt eine Halbkugeltemperatur von 850°C bis 1020°C auf.The composites of the invention preferably have a hemisphere temperature of 850 ° C to 1020 ° C.
Optimale Festigkeiten einer Fügeverbindung werden erreicht, wenn das Lot in der thermischen Ausdehnung optimal an die zu verschmelzenden Materialien angepasst ist. Ferner dürfen auch durch eine Änderung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten durch den Kristallisationsprozess keine zu großen Spannungen in dem Lot entstehen. Das erfindungsgemäße Glaslot stellt dies zum einen durch die Vermeidung von unerwünschten Phasen sicher, wie bereits erläutert, zum anderen zeichnen sich das erfindungsgemäße Glaslote sowie das daraus hergestellte Komposit dadurch aus, dass die Differenz in der thermischen Ausdehnung α(20-300) vor und nach dem Kristallisationsprozess kleiner 2·10–6 K–1 und bevorzugt kleiner 1·10–6 K–1 ist.Optimum strengths of a joint connection are achieved when the solder is optimally adapted in the thermal expansion to the materials to be fused. Furthermore, even a change in the thermal expansion coefficient due to the crystallization process should not result in excessive stresses in the solder. On the one hand, the glass solder according to the invention ensures this by avoiding unwanted phases, as already explained; on the other hand, the glass solders according to the invention and the composite produced therefrom are characterized in that the difference in the thermal expansion α (20-300) before and after the crystallization process is less than 2 × 10 -6 K -1 and preferably less than 1 × 10 -6 K -1 .
Der zumindest teilweise kristalline Zustand eines Komposits nach der Verarbeitung wird analog zu dem füllstoffreien kristallisierenden Glaslot als kristallisiert bezeichnet, auch wenn noch amorphe glasige Phasen vorhanden sein können.The at least partially crystalline state of a composite after processing is referred to as crystallized analogous to the filler-free crystallizing glass solder, even if amorphous glassy phases may still be present.
Das erfindungsgemäße kristallisierende Glaslot ist aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften besonders geeignet für die Herstellung von hochtemperaturfesten Fügeverbindungen. Unter hochtemperaturfest wird im Sinne der Erfindung ein Temperaturbereich von mehr als etwa 650°C verstanden. Solche Fügeverbindungen können besonders vorteilhaft in Brennstoffzellen, insbesondere SOFC, eingesetzt werden. Ein Beispiel einer Anwendung in Brennstoffzellen ist das Verbinden von einzelnen SOFCs zu einem SOFC-Stack. Weitere Anwendungsfelder sind Sensoren in Verbrennungsaggregaten, beispielsweise Automobilanwendungen, Schiffsmotoren, Kraftwerken, Flugzeugen oder in der Raumfahrttechnik. Eine bevorzugte Anwendung ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Glaslots und Sensoren im Abgasstrang von Automobilen.Due to its physical properties, the crystallizing glass solder according to the invention is particularly suitable for the production of high-temperature-resistant joint compounds. High-temperature-resistant in the sense of the invention means a temperature range of more than about 650 ° C. Such joining compounds can be used particularly advantageously in fuel cells, in particular SOFCs. An example of an application in fuel cells is to connect individual SOFCs to a SOFC stack. Further fields of application are sensors in combustion units, for example automotive applications, marine engines, power plants, aircraft or in space technology. A preferred application is the use of the inventive glass solder and sensors in the exhaust system of automobiles.
Das erfindungsgemäße kristallisierende Glaslot und/oder Komposit kann allerdings auch zur Herstellung von Sinterkörpern mit hoher Temperaturbeständigkeit verwendet werden. Herstellungsverfahren von Sinterkörpern sind hinlänglich bekannt. Im allgemeinen wird dabei das Ausgangsmaterial des erfindungsgemäßen Glaslotes in Pulverform miteinander vermischt, mit einem im allgemeinen organischen Binder vermengt und in die gewünschte Form gepresst. Statt der Pulver der Ausgangsmaterialien kann auch ein bereits aufgeschmolzenes erfindungsgemäßes Glas vermahlen und mit dem Binder vermischt werden. Der gepresste Glas-Binder-Körper wird daraufhin auf Sintertemperatur gebracht, wobei der Binder ausbrennen kann und die Glaskomponenten bei der Sintertemperatur zusammensintern können. Der so erhaltene Sinterkörper kann daraufhin in Kontakt mit den zu verbindenden Bauteilen gebracht werden und durch einen Lötvorgang diese verbinden und/oder mit diesen verbunden werden. However, the crystallizing glass solder and / or composite according to the invention can also be used for the production of sintered bodies with high temperature resistance. Production methods of sintered bodies are well known. In general, while the starting material of the glass solder according to the invention in powder form is mixed together, mixed with a generally organic binder and pressed into the desired shape. Instead of the powders of the starting materials, an already molten glass according to the invention can also be ground and mixed with the binder. The pressed glass-binder body is then brought to sintering temperature whereby the binder can burn out and sinter the glass components together at the sintering temperature. The sintered body thus obtained may then be brought into contact with the components to be joined and connected by a soldering process and / or connected to these.
Die Verwendung von Sinterkörpern beim Verlöten hat den Vorteil, dass der Sinterkörper ein Formbauteil ist und in nahezu beliebige Geometrien gebracht werden kann. Eine beispielsweise häufig verwendete Form ist ein Hohlzylinder, der zusammen mit einem elektrischen Kontaktstift in Durchführungsöffnungen von Metallbauteilen eingebracht werden kann, um durch die Verlötung eine vorzugsweise hermetisch dichte Glas-Metall-Durchführung mit einem elektrisch isolierten Kontaktstift zu erhalten. Solche Glas-Metall-Durchführungen werden in vielen elektrischen Bauteilen eingesetzt und sind dem Fachmann bekannt.The use of sintered bodies during soldering has the advantage that the sintered body is a shaped component and can be brought into almost any desired geometries. An example frequently used form is a hollow cylinder, which can be introduced together with an electrical contact pin in lead-through openings of metal components in order to obtain by soldering a preferably hermetically sealed glass-metal leadthrough with an electrically insulated contact pin. Such glass-metal bushings are used in many electrical components and are known in the art.
Eine weitere bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen kristallisierenden Glaslots und/oder Komposits ist die Herstellung von Folien, die das Glaslot und/oder das Komposit beinhalten. Solche Folien sind ähnlich dem zuvor beschriebenen Sinterkörper, können aber weitgehend flexibel ausgeführt sein. Aus ihnen können Formen ausgestanzt und auf vorteilhafte Weise dazu verwendet werden, um flächige Bauteile miteinander zu verbinden.A further preferred application of the crystallizing glass solder and / or composite according to the invention is the production of films which contain the glass solder and / or the composite. Such films are similar to the sintered body described above, but can be made largely flexible. From them shapes can be punched out and used in an advantageous manner to connect flat components together.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Eigenschaften erfindungsgemäßer kristallisierender Glaslote sowie anhand von Vergleichsbeispielen näher beschrieben.The invention will be described in more detail below with reference to the properties of crystallizing glass solders according to the invention as well as comparative examples.
Zuerst wurde das Lotglas in einer Glasschmelze erschmolzen. An dem in der Regel in Blockglas, zumindest in massiver Form vorliegenden Lotglas wurden folgenden Eigenschaften gemessen, wobei der Index G die am Lotglas bestimmten physikalischen Eigenschaften kennzeichnet.
- α(20-300),G
- linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient von 20°C bis 300°C
- Tg,G
- Glasübergangstemperatur, oder kurz Übergangstemperatur
- EWG
- Erweichungstemperatur, bei dieser Temperatur beträgt der Logarithmus der Viskosität 7,6
- ρG
- Dichte
- α (20-300), G
- linear thermal expansion coefficient from 20 ° C to 300 ° C
- T g, G
- Glass transition temperature, or short transition temperature
- EW G
- Softening temperature, at this temperature, the logarithm of the viscosity is 7.6
- ρ G
- density
Die Zusammensetzung der Lotgläser sowie deren physikalische Eigenschaften sind in der Tabelle 1 zusammengefasst.The composition of the solder glasses and their physical properties are summarized in Table 1.
Nach der Charakterisierung des Lotglases wird aus dem Lotglas durch einen Mahlprozess das im allgemeinen pulverförmige Glaslot hergestellt. In den vorliegenden Beispielen wurde aus den erschmolzenen Lotgläsern ein Pulver mit einer Korngrößenverteilung mit einem D(50) von ca. 10 μm und einem D(99) < 63 μm bereit gestellt und mit einem Binder zu einer dispensfähigen Paste verarbeitet. Pulver und Binder wunden mit einem Dreiwalzwerk homogenisiert. Bei dem Binderhandelt es sich im Allgemeinen um organische Substanzen wie z. B. Nitrocellulose, Ethylcellulose oder Acrylatbinder. Er hat im allgemeinen keinen weiteren Einfluss auf die Eigenschaften des kristallisierten Glaslotes, sollte jedoch sollte so ausgewählt werden, dass er beim Aufheizvorgang vollständig ausgebrannt werden kann.After the characterization of the solder glass, the powder glass solder is generally produced from the solder glass by a grinding process. In the present examples, a powder having a particle size distribution with a D (50) of approx. 10 μm and a D (99) <63 μm was prepared from the molten solder glasses and processed to a dispensable paste with a binder. Homogenized powder and binder wounds with a three-roll mill. The binder is generally organic substances such. As nitrocellulose, ethylcellulose or acrylate binder. It generally has no further influence on the properties of the crystallized glass solder, but should be selected so that it can be completely burned out during the heating process.
Anschließend erfolgt die thermische Charakterisierung der Glaslote mittels eines Heiztischmikroskopes. Aus dem zu charakterisierenden Lotglas bzw. Komposit in Pulverform wird dafür ein zylinderförmiger Probenkörper gepresst, der auf einer keramischen Grundplatte mit 10 K/min aufgeheizt wird. Die Formänderungen des Probenkörpers werden beobachtet, wobei sich mit steigender Temperatur für eine nichtkristallisierende Probe in der Regel folgende charakteristische Punkte ergeben, denen sich bestimmte Viskositäten zuordnen lassen:
Eine deutliche Abweichung von diesem Verhalten wird jedoch beobachtet, wenn während des langsamen Aufheizens des Probenkörpers bereits eine Kristallisation eintritt. In diesem Fall kann der Probenkörper bis zu einer deutlich höheren Temperatur als das zugrunde liegende Grundglas stabil bleiben, und weist dann entsprechend dem Verhalten eines kristallinen Festkorpers eine Art Schmelzpunkt auf, bei dem es im Gegensatz zu einem Glas zu einem schlagartigen Übergang in die flüssige Phase kommt. In diesem Fall kann es sein, dass eine Sphärischtemperatur oder eine Halbkugeltemperatur nicht bestimmt werden können.However, a significant deviation from this behavior is observed if crystallization already occurs during the slow heating of the specimen. In this case, the sample body can remain stable to a much higher temperature than the underlying base glass, and then exhibits a kind of melting point corresponding to the behavior of a crystalline solid, in which, unlike a glass, it makes a sudden transition to the liquid phase comes. In this case, a spherical temperature or a hemisphere temperature may not be determined.
Nach Abschluss des Kristallisationsprozesses wurden an dem kristallisierten Glaslot ebenfalls die Übergangstemperatur Tg,K sowie die thermische Ausdehnung α(20-300),K im Temperaturbereich von 20 bis 300°C bestimmt, wobei die am kristallisierten Glaslot gemessenen Eigenschaften durch den Index K gekennzeichnet sind.After completion of the crystallization process, the transition temperature T g, K and the thermal expansion α (20-300), K in the temperature range from 20 to 300 ° C were also determined on the crystallized glass solder, the properties measured on the crystallized glass solder being characterized by the index K. are.
Die mit dem Heiztischmikroskop ermittelten thermischen Eigenschaften der Glaslote sowie nach der Kristallisation sind ebenfalls in der Tabelle 1 zusammengefasst.The thermal properties of the glass solders as determined by the hot-stage microscope and after crystallization are also summarized in Table 1.
Die Tatsache, dass aus der thermischen Dehnungskurve teilweise ein Tg ermittelt werden kann, zeigt das Vorhandensein einer Restglasphase auf. Der im Vergleich zum amorphen Lotglas geringfügig niedrigere Tg,K kann durch die Abreicherung von SiO2 in der Glasphase erklärt werden, da Bariumsilikate (z. B. Ba5Si8O21) gebildet werden.The fact that a T g can be determined in part from the thermal expansion curve indicates the presence of a residual glass phase. The slightly lower T g, K compared to the amorphous solder glass can be explained by the depletion of SiO 2 in the glass phase, since barium silicates (eg Ba 5 Si 8 O 21 ) are formed.
Alle Beispiele B1 bis B10 weisen hingegen das erfindungsgemäß gewünschte Verhalten auf. Diese erreichen Halbkugeltemperaturen deutlich unter 1100°C. Die Halbkugeltemperatur wird auch oftmals als Sealing Temperature bezeichnet.By contrast, all examples B1 to B10 have the behavior desired according to the invention. These reach hemisphere temperatures well below 1100 ° C. The hemisphere temperature is also often referred to as the sealing temperature.
Der kristalline Anteil von Sanbornit bei Glasloten entsprechend der Beispiele B6 bis B10 bei einer Sinterung bei 835°C und der Dauer von 120 Minuten wurde untersucht. Es wurde festgestellt, dass in B6 50 Gew.-% Sanbornit enthalten Waren, in B8 20 Gew.-% Sanbornit und in B9 24 Gew.-% Sanborit.The crystalline content of sanbornite in glass solders according to Examples B6 to B10 when sintered at 835 ° C. and lasting for 120 minutes was investigated. It was found that B6 contained 50% by weight of Sanbornite, B8 contained 20% by weight of Sanbornite and B9 contained 24% by weight of Sanborite.
Die Erfinder haben weiterhin erkannt, dass die Gläser der Beispiele B3 bis B10 besonders geeignet sind für Laserfügeprozesse, weil sie Einschmelztemperaturen von kleiner 1100°C ermöglichen, da bei größeren Prozesstemperaturen die mit dem Glaslot zu verbindende und/oder zu verschließende Keramik unter dem Laser aufgrund der Änderung von optischen Eigenschaften einkoppelt (Erhöhung des Absorptionskoeffizienten) und es so zu einer unerwünschten sprunghaften Temperaturerhöhung kommen kann.The inventors have also recognized that the glasses of Examples B3 to B10 are particularly suitable for laser joining processes, because they allow melting temperatures of less than 1100 ° C, since at larger process temperatures to connect to the glass solder and / or to be closed ceramic under the laser due the change of optical properties coupled (increase in the absorption coefficient) and it can lead to an undesirable jump in temperature increase.
Bei der Verwendung von Laserstrahlung zum Fügen wird der Fügeverbund in der Regel sehr rasch aufgeheizt, wobei eine Kristallisation weitestgehend unterdrückt wird. Innerhalb von wenigen Sekunden bis Minuten kann ein stabiler Fügeverbund erhalten werden. Positive Fügeversuche wurden mit einem Diodenlaser (Leistung 3 kW) und Emissionswellenlängen von 808 nm und 940 nm durchgeführt. Die Ausgangsgläser werden dabei als Pulver zu einer Suspension angerührt und auf die Fügeverbindung aufgestrichen und anschließend mit dem Laser bestrahlt.When using laser radiation for joining the joint assembly is usually heated very quickly, with crystallization is largely suppressed. Within a few seconds to minutes, a stable joining compound can be obtained. Positive joining experiments were carried out with a diode laser (power 3 kW) and emission wavelengths of 808 nm and 940 nm. The starting glasses are stirred into a suspension as a powder and brushed onto the joining compound and then irradiated with the laser.
In Ofenprozessen kommt es hingegen aufgrund der längeren Verweilzeiten zu Kristallisation der Gläser. Die sich ausbildende hochdehnende Kristallphase, beispielsweise Sanbornit, führt zu einem Anstieg des linearen Ausdehnungskoefizienten. Wird das Verlöten in Ofenprozessen durchgeführt, so eignen sich die Gläser insbesondere für die Fügung von hochdehnenden Oxidkeramiken wie z. B. Zirkonoxid. Der lineare Ausdehungskoeffizient α(20-300),K korreliert dabei in guter Näherung mit dem kristallinen Gehalt von Sanbornit. In oven processes, on the other hand, crystallization of the glasses occurs due to the longer residence times. The forming high-expansion crystal phase, for example Sanbornit, leads to an increase of the linear expansion coefficient. If the soldering carried out in furnace processes, so the glasses are particularly suitable for the addition of high-stretching oxide ceramics such. Zirconium oxide. The linear expansion coefficient α (20-300), K correlates to a good approximation with the crystalline content of Sanbornit.
Der Wert von α(20-300),K im Beispiel B7 ist im Vergleich zu B8 höher, weil zusätzlich Fresnoit (Bariumtitanat) kristallisiert.The value of α (20-300), K in Example B7 is higher compared to B8, because in addition Fresnoit (barium titanate) crystallizes.
Bevorzugt wird die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Gläser so gewählt, dass sie bei der Verarbeitung, d. h. während des Fügeprozesses, nicht im SiO2-Ausscheidungsfeld liegt, sondern auf der Verbindungslinie zwischen einer niedrig schmelzenden Bariumsilicatphase und dem ternären Eutektikum. Dies ist wird auch anhand des in
Die Glaslote der Beispiele B3 und B8 insbesondere geeignet sind zum Fügen von Al2O3-Keramiken und die Glaslote der Beispiele B4 und B5 zum Fügen von ZrO2-Keramiken.The glass solders of Examples B3 and B8 are particularly suitable for joining Al 2 O 3 ceramics and the glass solders of Examples B4 and B5 for joining ZrO 2 ceramics.
Die erfindungsgemäßen Glaslote können entweder teilkristallin oder amorphsein. Bei den teilkristallinen Gläsern kann durch die Zugabe von Al2O3 sowie CaO eine Kristallisation sowie die Ausscheidung unerwünschter Kristallphasen vermieden werden. Ebenfalls kann eine Kristallisation vollständig unterdrückt werden und somit ein stabiles amorphes Glaslot bereitgestellt werden, wie das fehlen eines exothermen Signals in der DTA-Kurve des Beispiels B9 gemäß
Für den späteren Einsatz des Fügeverbundes ist es wichtig, dass keine weitere Kristallisation und eine damit verbundene Eigenschaftsänderung auftritt. Die HTXRD Messungen zeigen, dass im Beispiel B8 die Kristallisation mit 24 Gew.-% nach 60 min bereits vollständig abgeschlossen ist und keine weitere Veränderung im Phasenbestand eintritt. Der Kristallisationsgrad ändert sich innerhalb der ersten Stunde nur um 3 Gew.-%.For the later use of the joint assembly, it is important that no further crystallization and a related change in property occurs. The HTXRD measurements show that in example B8 the crystallization with 24% by weight is already completely complete after 60 minutes and no further change in the phase balance occurs. The degree of crystallization changes only by 3% by weight within the first hour.
Zur Herstellung von Kompositen wurde das Lotglas aus Beispiel B1 weiterhin als Grundglas verwendet, wobei dem Pulver des Grundglases zwischen 10% bis 25% Füllstoffe zugesetzt wurden. An den erhaltenen Kompositen wurden analog zu den füllstofffreien Lotgläsern dieselben Eigenschaften bestimmt und in Tabelle 2 im Quervergleich zum füllstofffreien Lotglas zusammengefasst. In Tabelle 2 ist ferner der lineare thermischen Ausdehnungskoeffizient α(20-750),K aufgeführt, welcher die Temperatur-Dehnungseigenschaften des Komposits im Temperaturbereich von 20°C bis 750°C charakterisiert. Dieser Wert belegt, dass die thermische Ausdehnung über den gesamten für die Verarbeitung relevanten Temperaturbereich im Zielbereich liegt. Außerdem zeigt der Wert, dass die Probe kristallisiert ist. An dem Grundglas aus Beispiel 5 ohne Füllstoffe ist der Wert nicht bestimmbar, da dieses einen EWG von 730°C aufweist und somit vor Erreichen der 750°C erweicht. Insbesondere bei der Beurteilung der Thermozyklierbarkeit der Materialien ist der thermische Ausdehnungskoeffizient α(20-750),K relevanter als der α(20-300),K.For the production of composites, the solder glass from Example B1 was also used as a base glass, wherein the powder of the base glass between 10% to 25% fillers were added. The same properties were determined on the resulting composites analogous to the filler-free solder glasses and summarized in Table 2 in a cross-comparison to the filler-free solder glass. Also shown in Table 2 is the linear thermal expansion coefficient α (20-750), K , which characterizes the composite's thermal expansion properties in the temperature range from 20 ° C to 750 ° C. This value indicates that the thermal expansion is within the target range over the entire temperature range relevant for the processing. In addition, the value indicates that the sample has crystallized. The value can not be determined on the base glass from Example 5 without fillers since this has an EW G of 730 ° C. and thus softens before reaching 750 ° C. In particular, in evaluating the thermocyclability of the materials, the coefficient of thermal expansion α (20-750), K is more relevant than α (20-300), K.
Der Vergleich mit B1 zeigt, dass im Fall der Zugabe von 10% 3YSZ oder 25% BaSi2O5 (Sanbornit) der thermische Ausdehnungskoeffizient α(20-300),K des Komposits größer als der des kristallisierten Glaslots alleine ist, während im Fall der Zugabe von 15% BaSi2O5 der Wert kleiner ist. Dies belegt, dass durch die Auswahl und durch die Menge der Füllstoffe sowohl eine positive oder auch negative Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten erreicht werden kann.The comparison with B1 shows that in the case of addition of 10% 3YSZ or 25% BaSi 2 O 5 (sanbornite) the coefficient of thermal expansion α (20-300), K of the composite is greater than that of the crystallized glass solder alone, while in the case the addition of 15% BaSi 2 O 5 the value is smaller. This proves that by selecting and by the amount of fillers both a positive or negative adjustment of the thermal expansion coefficient can be achieved.
Die Halbkugeltemperaturen und damit auch die Löttemperaturen liegen bei den in Tabelle 3 dargestellten Kompositen höher als bei Beispiel B1. Allerdings ist die Fließtemperatur im Falle der Komposite höher als die von Beispiel B1. Tabelle 2: Eigenschaften von Kompositen basierend auf Beispiel B1 (Heiztischmikroskop) sowie nach der Kristallisation
Mit den erfindungsgemäßen Kompositen wurden erfolgreich Fügeverbindungen mit metallischem Interkonnektormateral hergestellt. Zuerst wurde die Fügeverbindung mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 5 K/min auf 450°C aufgeheizt und 30 Minuten bei 450°C gehalten. Anschließend wurde die Fügeverbindung mit 2 K/min weiter auf 950°C aufgeheizt und 30 Minuten gehalten. Anschließend wurde die Fügeverbindung mit 2 K/min auf 860°C abgekühlt und 10 Stunden gehalten. Abkühlen auf Raumtemperatur erfolgt ebenfalls mit 2 K/min. Während des Fügevorganges wurde die Fügeverbindung mit einem statischen Gewicht beaufschlagt (ca. 15 g/cm2).The composites according to the invention were used to successfully produce joining compounds with a metallic interconnector lateral. First, the joint was heated at a heating rate of 5 K / min to 450 ° C and held at 450 ° C for 30 minutes. Subsequently, the joint was further heated at 2 K / min to 950 ° C and held for 30 minutes. Subsequently, the joint was cooled at 2 K / min to 860 ° C and held for 10 hours. Cooling to room temperature is also carried out at 2 K / min. During the joining process, the joint connection was subjected to a static weight (about 15 g / cm 2 ).
Die erfindungsgemäßen Glaslote und Komposite vereinen alle positiven Eigenschaften gemäß Aufgabe der Erfindung miteinander. Das Lotglas als Vorprodukt lässt sich mit konventionellen Schmelzverfahren mit gutem Einschmelzverhalten und nicht zu hohen Schmelztemperaturen herstellen. Es weist eine thermische Ausdehnung in dem angestrebten Bereich auf sowie insbesondere keine zu starke Kristallisationsneigung bzw. spontane Kristallisation. Durch die Zusammensetzung wird die Bildung von unerwünschten Kristallphasen wirkungsvoll unterbunden, was dauerhaft stabile spannungsarme Fügeverbindungen ermöglicht.The glass solders and composites according to the invention combine all the positive properties according to the object of the invention. The solder glass as a precursor can be produced by conventional melting processes with good melting behavior and not too high melting temperatures. It has a thermal expansion in the desired range and in particular no tendency to crystallize or spontaneous crystallization. Due to the composition, the formation of unwanted crystal phases is effectively prevented, which permanently enables stable low-stress joint connections.
Die erfindungsgemäßen Komposite können über verschiedene Füllstoffe über einen großen Bereich an die thermischen Ausdehnung der Interkonnektormaterialien angepasst werden.The composites according to the invention can be adapted to the thermal expansion of the interconnector materials over a wide range by means of various fillers.
Mit den erfindungsgemäßen kristallisierenden Glasloten und Komposite werden bei geringen Verarbeitungstemperaturen von etwa maximal 1100°C Fügeverbindungen erhalten, die hohe Betriebstemperaturen von etwa 850°C ermöglichen. Ferner ermöglicht die gute Benetzung der Interkonnektormaterialien durch die langsame Kristallisation erst nach dem Einbringen des Lotes dauerhaft stabile Fügeverbindungen.With the crystallizing glass solders and composites according to the invention joining compounds are obtained at low processing temperatures of about a maximum of 1100 ° C, which allow high operating temperatures of about 850 ° C. Furthermore, the good wetting of the interconnect materials by the slow crystallization only after the introduction of the solder permanently stable joint connections.
Die erfindungsgemäßen Glaslote Verbindungslote weisen den Vorteil auf, dass sie sowohl für die Verbindung mit Al2O3- als auch für die Verbindung mit ZrO2-Keramiken geeignet, ohne dass das Glas mit Füllstoffen angepasst werden muss, weil der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient α(20-300),K durch die Prozessführung beim Einschmelzprozess gesteuert werden kann.The solders of the invention have the advantage that they are suitable both for the compound with Al 2 O 3 - and for the compound with ZrO 2 ceramics, without the glass having to be adapted with fillers, because the linear thermal expansion coefficient α ( 20-300), K can be controlled by the process control during the melting process.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20131228 |